JP4718308B2 - 高周波スイッチ - Google Patents

Description

この発明は、高周波において低損失で広帯域な特性を有する高周波スイッチに関するものである。

図１０は例えば、背景技術１の特開２０００−２６１２１８号公報による高周波スイッチの回路図である。この高周波スイッチは、複数個のトライステートスイッチ１ａ〜１ｅがストリップライン３によってトーナメント状に接続されており、各スイッチ１ａ〜１ｅに接続するライン３同士の分岐点Ｎ１〜Ｎ３からオフ状態のスイッチ１ａ〜１ｅを見たときのインピーダンスの実部が最大となり、虚部が０となるように当該分岐点Ｎ１〜Ｎ３からスイッチ１ａ〜１ｅまでのストリップライン３の長さＳ１〜Ｓ５が調整されている。さらに、各分岐点Ｎ１〜Ｎ３に接続するライン３同士の根元の分岐点Ｎ３、Ｎ４から当該各分岐点Ｎ１〜Ｎ３までのストリップライン３の長さＬ１〜Ｌ３が1/2波長の整数倍に調整されている。

図１１は、前記高周波スイッチにおいて単極１６投スイッチを構成した時の構成図である。図１２は、前記高周波スイッチにおいて、１６個のトライステートスイッチのうち１個を短絡状態とし、他のトライステートスイッチを開放状態とした時の高周波信号の流れである。図１３に、前記単極１６投スイッチの反射損失と通過損失の計算結果を示す。中心周波数は６０GHzとした。また、トライステートスイッチの寄生容量、寄生抵抗はなく、基板の導体損、誘電体損も無いものとした。

図１４は例えば、背景技術２による高周波スイッチの回路図である。１０１は入力端子、１０２ａは第１の出力端子、１０２ｂは第２の出力端子、１０２ｃは第３の出力端子、１０２ｄは第４の出力端子、１０３は入力側高周波線路で一端が入力端子１０１に接続されている。１０４ａは第１の出力側高周波線路で一端が入力側高周波線路１０３の他端に接続されている。１０４ｂは第２の出力側高周波線路で一端が入力側高周波線路１０３の他端に接続されている。１０４ｃは第３の出力側高周波線路で一端が入力側高周波線路１０３の他端に接続されている。１０４ｄは第４の出力側高周波線路で一端が入力側高周波線路１０３の他端に接続されている。この出力側高周波線路１０４ａ〜１０４ｄの一端と入力側高周波線路１０３の他端との接続点が高周波分岐点１０６を形成する。１０５ａは第１の直列スイッチング素子で、第１の出力側高周波線路１０４ａの他端と第１の出力端子１０２ａとの間に接続される。１０５ｂは第２の直列スイッチング素子で、第２の出力側高周波線路１０４ｂの他端と第２の出力端子１０２ｂとの間に接続される。１０５ｃは第３の直列スイッチング素子で、第３の出力側高周波線路１０４ｃの他端と第３の出力端子１０２ｃとの間に接続される。１０５ｄは第４の直列スイッチング素子で、第４の出力側高周波線路１０４ｄの他端と第４の出力端子１０２ｄとの間に接続される。また、前記第１〜第４の出力側高周波線路１０４ａ〜１０４ｄは所望周波数において、NN/2波長（NNは１以上の整数）の電気長とされている。

次に動作について説明する。
この高周波スイッチにおいて、例えば第１の直列スイッチング素子１０５ａを短絡状態にし、第２〜第４の直列スイッチング素子１０５ｂ、１０５ｃ、１０５ｄを開放状態にすると、前記高周波分岐点１０６から第２〜第４の出力端子１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを見たインピーダンスは所望周波数においてオープンになるため、入力端子１０１と第１の出力端子１０２ａ間は通過状態となり、入力端子１０１に入力された高周波信号は第１の出力端子１０２ａに出力される。このように、直列スイッチング素子の開閉状態により、通過状態とする出力端子を選択することができる。この例の場合、この高周波スイッチはＳＰ４Ｔ（単極４投）スイッチとして動作する。

特開２０００−２６１２１８号公報

しかしながら、上記背景技術２における高周波スイッチでは、出力側高周波線路がNN/2波長の電気長を持つので、高周波分岐点１０６から第２〜第４の出力端子１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを見たインピーダンスが周波数の変化に伴い大きく変動し、それにより入力端子１０１における周波数の変化による反射特性の変動が大きくなる。その結果、入力端子１０１と第１の出力端子１０２ａの通過特性が、周波数の変化に伴い大きく変動する問題があった。

1/2波長の電気長をもつ先端が開放された高周波線路の反射位相は−2πとなることが知られている。この関係を用いると、上記背景技術２において、高周波分岐点１０６における反射位相は式１と与えられる。

よって、この式１の両辺を所望周波数で規格化された周波数f'で微分すると、式２となる。ここで例えば、NN＝１と選ぶと式２は式３となる。

この発明に係る高周波スイッチは、
入力端子と、
一端が前記入力端子に接続され所望周波数において(1/4＋M/2)波長(Mは整数)の電気長を持つ第１の高周波線路と、
前記第１の高周波線路の他端とグランドとの間に接続された並列スイッチング素子と、
一端が前記並列スイッチング素子と第１の高周波線路との接続点に接続され、所望周波数において(1/4＋N/2)波長(Nは整数)の電気長を持つ第２の高周波線路と、
前記第２の高周波線路の一端に接続された第１の高周波分岐点と、
一端が前記第1の高周波分岐点に接続され所望周波数においてL/2波長(Lは整数)の電気長を持つｍ個(ｍは2以上の整数)の高周波線路と、
前記ｍ個の高周波線路の他端のそれぞれに一端が接続されたｍ個の直列スイッチング素子と、
前記ｍ個の直列スイッチング素子の他端のそれぞれに接続されたｍ個の出力端子と
を備える。

この発明によれば、並列スイッチング素子を短絡状態にしたとき、周波数の変化に伴う第２の高周波線路のインピーダンスの変化が入力端子の反射位相に影響しないので、その結果、周波数の変化にともなう反射損失の特性の変化が小さい高周波スイッチを得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態1による高周波スイッチの構成を示す回路図である。１ａは入力端子、１ｂは出力端子、２ａは一端が入力端子１ａに接続された第１の高周波線路、２ｂは一端が第１の高周波線路２ａの他端に接続された第２の高周波線路、３は一端が第１の高周波線路２ａの他端に、他端がグランドに接続された並列スイッチング素子、４は一端が第２の高周波線路２ｂの他端に、他端が出力端子１ｂに接続された直列スイッチング素子である。
なお、第１の高周波線路２ａは所望周波数において（1/4＋M/2）波長の電気長になるようにし、第２の高周波線路２ｂは所望周波数において（1/4＋N/2）波長の電気長になるようにする。但し、M，Nは０以上の整数である。

次に動作について説明する。
並列スイッチング素子３を開放状態、直列スイッチング素子４を短絡状態にした場合、高周波スイッチは通過状態となる。
並列スイッチング素子３を短絡状態、直列スイッチング素子４を開放状態にした場合、高周波スイッチは遮断状態となる。

ここで、この発明の実施の形態１による高周波スイッチで、並列スイッチング素子３を短絡状態にしたときの反射位相について考える。伝送路が無損失線路であるとすると、入力端子１ａでの反射位相は式４と与えられる。

よって、この式４の両辺を前記f'で微分すると式５となる。ここで例えば、M=0と選ぶと、式５は式６となる。

したがって、この発明の実施の形態１によれば、並列スイッチング素子を短絡状態にしたとき、周波数の変化に伴う第２の高周波線路のインピーダンスの変化が入力端子の反射位相に影響しないので、その結果、周波数の変化にともなう反射損失の特性の変化が小さい高周波スイッチを得ることができる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２による高周波スイッチの構成を示す回路図である。１ａは入力端子、１ｂはｍ個の出力端子、２ａは第1の高周波線路、２ｂは第２の高周波線路、２ｃはｍ個の高周波線路、３は並列スイッチング素子、４はｍ個の直列スイッチング素子、５は第1の高周波分岐点である。
第１の高周波線路２ａは一端が入力端子１ａに、他端が第２の高周波線路２ｂの一端に接続される。並列スイッチング素子３は一端が第１の高周波線路２ａの他端に、他端がグランドに接続される。ｍ個の高周波線路２ｃはそれぞれ一端が第２の高周波線路２ｂの他端に、他端はそれぞれｍ個の直列スイッチング素子４それぞれの一端に接続され、ｍ個の高周波線路２ｃそれぞれの一端と第２の高周波線路２ｂの他端との接続点が、第１の高周波分岐点５を形成する。ｍ個の直列スイッチング素子４の他端はそれぞれｍ個の出力端子１ｂに接続される。
なお、第１の高周波線路２ａは所望周波数において（1/4＋M/2）波長の電気長に、第２の高周波線路２ｂは所望周波数において（1/4＋N/2）波長の電気長になるようにし、ｍ個の高周波線路２ｃは所望周波数においてL/2波長の電気長になるようにする。但し、M、N、Lは０以上の整数である。

次に動作について説明する。
並列スイッチング素子３を開放状態、ｍ個の直列スイッチング素子４のうちいずれか１つを短絡状態にし、前記短絡状態にした直列スイッチング素子を除く(ｍ-1)個の直列スイッチング素子を開放状態にした場合、ｍ個の出力端子１ｂのうち前記短絡状態にされた１つの直列スイッチング素子に接続された１つの出力端子と入力端子１ａ間が通過状態になり、前記を除く(ｍ-1)個の出力端子と入力端子１ａ間は遮断状態になる。

並列スイッチング素子３を短絡状態にした場合、ｍ個の出力端子１ｂと入力端子１ａ間はいずれも遮断状態になる。

ここで、この発明の実施の形態２による高周波スイッチで、並列スイッチング素子３を短絡状態にしたときの反射位相について考える。伝送路が無損失線路であるとすると、入力端子での反射位相は式７と与えられる。

よって、この式の両辺を前記f'で微分すると、式７は式８となる。ここで例えば、M＝０と選ぶと、式８は式９となる。

したがって、この発明の実施の形態２によれば、並列スイッチング素子３を短絡状態にしたとき、周波数の変化に伴う第２の高周波線路２ｂおよびｍ個の高周波線路２ｃのインピーダンスの変化が入力端子１ａの反射位相に影響しないので、その結果、周波数の変化にともなう反射損失の特性の変化が小さい高周波スイッチを得ることができる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３による高周波スイッチの構成を示す回路図である。この高周波スイッチは、実施の形態２における高周波スイッチにおいて、ｍ＝４の場合に立体構造を用いることで第１の高周波分岐点５から見た４個の高周波線路２ｃが放射状になるように配置されたものである。

図４はこの発明の実施の形態３による高周波スイッチの構成を示す斜視図である。５１ａは入力端子１ａが配置された誘電体基板、５１ｂは各出力端子１ｂが配置された誘電体基板である。この高周波スイッチは、実施の形態２における高周波スイッチにおいて、ｍ＝４の場合に、第１の高周波分岐点５から見た４個の高周波線路２ｃが放射状になるように配置されたものである。なお、前記高周波線路２ａ〜２ｃは誘電体基板５１ａ、５１ｂの裏面をグランドとして高周波信号を伝播させるものであるとする。

実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による高周波スイッチの構成を示す回路図である。１ａは入力端子、１ｂはｍ個の出力端子、２ａはｍ個の第１の高周波線路、２ｂはｍ個の第２の高周波線路、３はｍ個の並列スイッチング素子、４はｍ個の直列スイッチング素子、５は第１の高周波分岐点である。第１の高周波分岐点５は入力端子１ａに接続され、この第１の高周波分岐点５にｍ個の第１の高周波線路２ａの一端が接続される。ｍ個の第１の高周波線路２ａの他端にはそれぞれｍ個の並列スイッチング素子３の一端と、ｍ個の第２の高周波線路２ｂの一端が接続される。ｍ個の第２の高周波線路２ｂの他端にはそれぞれｍ個の直列スイッチング素子４の一端が接続される。ｍ個の直列スイッチング素子４の他端はそれぞれｍ個の出力端子１ｂに接続される。
ここで、入力端子１ａ、第１の高周波線路２ａ、並列スイッチング素子３、第２の高周波線路２ｂ、直列スイッチング素子４および出力端子１ｂ各々１個ずつの組は単位高周波スイッチを構成する。
またここでは、ｍ＝３の例を示した。ここで、第１の高周波線路２ａは所望周波数において（1/4＋M/2）波長の電気長になるようにする。但し、Mは０以上の整数である。

次に動作について説明する。
３個の並列スイッチング素子うち１個を開放状態、他２個の並列スイッチング素子を短絡状態にし、前記開放状態の並列スイッチング素子に接続された第２の高周波線路と出力端子との間に接続された直列スイッチング素子を短絡状態にした場合、短絡状態の直列スイッチング素子に接続された出力端子と入力端子は通過状態になる。
また、短絡状態にされた２個の並列スイッチング素子に接続されたそれぞれの第２の高周波線路と出力端子との間に接続されたそれぞれの直列スイッチング素子を開放状態にした場合、開放状態のそれぞれの直列スイッチング素子に接続されたそれぞれの出力端子と入力端子は遮断状態になる。
図６に、この実施の形態４による高周波スイッチの動作例を示す。

ここで、この発明の実施の形態４による高周波スイッチで、並列スイッチング素子が短絡状態にされ、直列スイッチング素子が開放状態にされた単位高周波スイッチにおける入力端子１ａの反射位相について考える。伝送路が無損失線路であるとすると、入力端子１ａの反射位相は式１０と与えられる。

よって、この式の両辺を前記f'で微分すると、式１１となる。ここで例えば、M＝０と選ぶと、式１１は式１２となる。

したがって、この発明の実施の形態４によれば、並列スイッチング素子が短絡状態にされ、直列スイッチング素子が開放状態にされた単位高周波スイッチにおける第２の高周波線路の周波数の変化に伴うインピーダンスの変化が入力端子の反射位相に影響しないので、その結果、周波数の変化にともなう反射損失および通過特性の変化が小さい高周波スイッチを得ることができる。

実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５による高周波スイッチの構成を示す回路図である。図において、５３は第２の高周波分岐点である。その他の構成は図３に示す実施の形態３と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。この実施の形態５による高周波スイッチは、第２の高周波分岐点５３を介して図３に示す実施の形態３による高周波スイッチが２個接続されたもので、この高周波スイッチは、単極８投スイッチとしての機能を有する。

したがって、前述までの説明と同様に、この発明の実施の形態５によれば、周波数の変化にともなう反射損失および通過損失の特性の変化が小さい高周波スイッチを得ることができる。

実施の形態６．
図８はこの発明の実施の形態６による高周波スイッチの構成を示す平面図である。５５は誘電体基板である。この実施の形態６による高周波スイッチは、実施の形態５による高周波スイッチにおいて、単位高周波スイッチ数ｎがｎ＝４、各単位高周波スイッチにおける基本スイッチ（スイッチング可能な線路）数ｍがｍ＝４の場合において第２の高周波分岐点５３から見た４個の高周波線路２ａが放射状になるように配置されたものである。このとき、前記高周波スイッチは、単極１６投スイッチとしての機能を有する。なお、この実施の形態６による高周波線路は誘電体基板の裏面をグランドとして高周波信号を伝播させるものであるとする。

前述までの説明と同様に、この発明の実施の形態６によれば、周波数の変化にともなう反射損失および通過損失の特性の変化が小さい高周波スイッチを得ることができる。

図９に、この実施の形態６による単極１６投スイッチの反射損失と通過損失の計算結果を示す。中心周波数は６０GHzとした。図９と図１３を比べることで、この発明の実施の形態６によれば、並列スイッチング素子を備えかつ第１の高周波分岐点からL/2波長(Lは整数)の電気長の位置に直列スイッチング素子を備えたことにより、周波数の変化にともなう通過損失の特性の変化が小さい高周波スイッチを得ることができることがわかる。

この発明に係る高周波スイッチは、レーダや無線通信機器のＲＦ(Radio Frequency)信号の切り換えに使用する高周波スイッチに適する。

この発明の実施の形態１による高周波スイッチの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態２による高周波スイッチの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態３による高周波スイッチの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態３による高周波スイッチの構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態４による高周波スイッチの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態４による高周波スイッチの動作例を説明する回路図である。 この発明の実施の形態５による高周波スイッチの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態６による高周波スイッチの構成を示す平面図である。 この発明の実施の形態６による単極１６投スイッチの反射損失と通過損失の特性図である。 従来の高周波スイッチの構成を示す回路図である。 従来の高周波スイッチにおいて単極１６投スイッチを構成した時の回路図である。 図１１において１個のトライステートスイッチのみが短絡状態時の高周信号の流れの説明図である。 従来の単極１６投スイッチの反射損失と通過損失の特性図である。 他の従来の高周波スイッチの回路図である。

符号の説明

１ａ：入力端子、１ｂ：出力端子、２ａ：第1の高周波線路、２ｂ：第２の高周波線路、２ｃ：ｍ個の高周波線路、３：並列スイッチング素子、４：直列スイッチング素子、５：第1の高周波分岐点、５１ａ：誘電体基板、５１ｂ：誘電体基板、５３：第２の高周波分岐点、５５：誘電体基板。

Claims (6)

1. 入力端子と、
   一端が前記入力端子に接続され、所望周波数において(1/4＋M/2)波長(Mは整数)の電気長を持つ第１の高周波線路と、
   前記第１の高周波線路の他端とグランドとの間に接続された並列スイッチング素子と、
   一端が前記並列スイッチング素子と第１の高周波線路との接続点に接続され、所望周波数において(1/4＋N/2)波長(Nは整数)の電気長を持つ第２の高周波線路と、
   前記第２の高周波線路の一端に接続された第１の高周波分岐点と、
   一端が前記第１の高周波分岐点に接続され所望周波数においてL/2波長(Lは整数)の電気長を持つｍ個(ｍは2以上の整数)の高周波線路と、
   前記ｍ個の高周波線路の他端のそれぞれに一端が接続されたｍ個の直列スイッチング素子と、
   前記ｍ個の直列スイッチング素子の他端のそれぞれに接続されたｍ個の出力端子と
   を備えたことを特徴とする高周波スイッチ。
2. 第１の高周波分岐点から見たｍ個の高周波線路が放射状になるように配置されたことを特徴とする請求項１記載の高周波スイッチ。
3. 請求項１または２に記載の高周波スイッチを複数個備え、各高周波スイッチの入力端子を接続して第２の高周波分岐点を形成し、この第２の高周波分岐点に接続された第２の入力端子を備えたことを特徴とする高周波スイッチ。
4. 第２の高周波分岐点から見た複数個の高周波スイッチが放射状になるように配置されたことを特徴とする請求項３記載の高周波スイッチ。
5. 入力端子と、
   前記入力端子に接続された高周波分岐点と、
   一端を前記高周波分岐点に接続され所望周波数において（１／４＋Ｍ／２）波長（Ｍは整数）の電気長を持つ第１のｍ個の高周波線路と、
   前記第１のｍ個の高周波線路それぞれの他端とグランドとの間に接続されたｍ個の並列スイッチング素子と、
   一端を前記ｍ個の並列スイッチング素子と第１のｍ個の高周波線路との接続点それぞれに接続された第２のｍ個の高周波線路と、
   一端を前記第２のｍ個の高周波線路それぞれの他端に接続されたｍ個の直列スイッチング素子と、
   前記ｍ個の直列スイッチング素子それぞれの他端に接されたｍ個の出力端子と
   を備えたことを特徴とする高周波スイッチ。
6. 一部または全ての第２のｍ個の高周波線路の電気長が所望周波数において０またはN/2波長（Nは整数）となることを特徴とする請求項５記載の高周波スイッチ。

Images